以新能源汽车为例探讨燃料电池的研究现状及发展前景

敖 翔

（湖南省岳阳市第十五中学， 湖南 岳阳 414020）

引言

能源是推动人类文明前进的基石，是推动人民生活水平提高、经济增长的最基本力量。在当今社会，煤、石油和天然气作为三大化石能源不断被我们所使用。最近数据显示，87%的能源使用均为以煤、石油和天然气为代表的化石能源。然而化石能源总是有限的，如果我们人类如此不节制地使用化石能源，终有一天，化石能源会走向枯竭。此外，燃烧化石能源会产生大量以CO2为代表的温室气体，此外还会产生其他污染环境的烟气，对全球生态造成了巨大威胁。

很显然，上个世纪构建的如此巨大的能源理想已经不能够满足现在乃至未来对所清洁、高效、经济、安全能源体系的要求，这是我们必须要面对的问题。所以，必须探索更多更加清洁、更加高效的可再生能源。

和别的发电方式比较起来，燃料电池有着很多独具特色的优势，比如效率高、机动灵活、燃料多样、无污染等。因此，燃料电池汽车有着保护环境、较短的加氢时间、较长的续航里程等优势，新能源汽车不但改变了我们的出行方式，更能调整国家能源战略布局，所以，将新能源汽车作为本次案例分析研究燃料电池的研究现状和未来发展前景。

1 新能源汽车中的燃料电池

燃料电池和传统的电池具有相同的结构，从根源上讲均为电化学发电装置，而单体燃料电池则更能够被看成是正极加负极加电解质。在燃料电池中，燃料电极是负极，氧化剂电极是正极。一般情况下使用氢气或许多含氢量较高的气体如甲醇等，而氧化剂一般情况下使用氧气或一些如过氧化氢的水溶液的液体。然而，燃料电池有着和传统常规蓄电池与众不同的特性，即燃料电池能够在反应中不断由外界提供氧化剂和燃料，极大地增长了反应的时间，让反应能够持续地进行下去，换个说法，就是说燃料电池能够充当一个化学能向电能直接转换的介质。从理论上讲，只要具有足量的反应原料，反应就会不断进行，就可以实现持续发电。燃料电池有许多种，以工作温度的高低进行分类，能够分成低温、中温和高温三种；依据内部电解质的不同，又能够分成PEMFC、碱性燃料电池等类型；依据燃料的不同，汽车用燃料电池有许多种，根据其氧化物的不同被命以不同的名字，主要以氢、乙醇、汽油为主。它们种类繁多，应用广泛。燃料电池在工作过程中，会产生化学变化，电极的作用是传递电子，形成回路，然而与众不同的是，燃料电池的电极表面仅仅发生多相催化反应，其自身并没有反应。

和传统发电装置相比，燃料电池具有很大优势，但是，在多种原因的作用下，其技术并没有得到更好的发展，无法实现廉价化和平民化。目前，大部分燃料电池用于航天、潜艇等很多军工产业里，在这些行业中，能够忽视成本，追求效率。但由于环境问题的日益严重，再加上政府提供了许多利好政策，燃料电池汽车逐渐进入了我们的视野，相信未来在此类需求的作用下，燃料电池行业会产生巨大的发展。

2 燃料电池的研究现状

2.1 氢能研究进展缓

2001年，中国国家科技部提出了关于电动汽车的研究项目，目的是发展以燃料电池和其有关发动机的电动汽车技术，功夫不负有心人，燃料电池技术取得了重大突破。中国主要依赖以清华大学、同济大学以及大连化学物理研究所为代表的大学等主体进行有关的研究，但在生产燃料电池汽车方面，体系建设相对滞后，目前，仅有上汽集团承担了有关任务。

2.2 突破技术核心不足

在企业、社会和国家的长期作用下，提高了氢能及燃料电池的运用水平。另外，还从国外学习了很多氢气制备技术，实现了和世界接轨，在全球范围内占据前列；对于燃料电池技术，中国现今已拥有了例如催化剂、双极板材料等核心技术，和国外先进水平齐头并进，我们现今还没有实现量产核心零件以及蓄电池的相关技术，落后于发达国家。

2.3 产业处在研发示范阶段

现在，中国已进行许多种型号指标不同的燃料电池样车的设计、制造、实验等步骤。研发并制造的燃料电池发动机和汽车也于北京奥运会和上海世博会期间完成了标准化运行，取得了巨大成功，诸如此类的活动还有很多，这些活动表明了燃料电池汽车能够良好适应各种环境。但是，放眼全球，发达国家在燃料电池产业链的各环节都早已完成了产业化，而中国却远远落后于世界领先水平。从各个角度看，中国和世界先进水平还是有着巨大的差距，目前正处于研发示范阶段。

2.4 核心专利创新能力不足

和美日德等发达国家相比，中国的氢能与燃料电池专利技术拥有量严重不足。有关数据表明，日本拥有高达10 454个优先权专利数量，占全球比例为71%，在各个方面占据了完全领先的位置。而这方面创新能力不足的原因，或许是产业基础薄弱，资金和技术力量投入不足，参与机构数量较少等。尽管科技部提高了两亿多的预算用于支持“十二五”期间的燃料电池有关技术的研发，然而当我们横向地同日本等国家进行比较，中国国家投入几乎可以忽略不计了。

2.5 加氢站建设落后于技术

中国现阶段可以熟练地掌握35 MPa加氢站建设及有关技术，我国已经研发并掌握了加氢站的设计、建设和三大关键设备。现在，中国将发展研究重心放在了70 MPa加氢站技术。截至2017年7月，我国运行的加氢站仅有6座，加氢站建设较为滞后。仅仅是2017年一年，在中国的各个地区，地方政府和企业都推出了许多能够推动氢燃料电池建设和发展的政策和手段，目标是开拓市场，占据优先权。另外，各个相关科研机构都和汽车制造企业建立合作关系，极大地缩短了氢燃料电池技术从实验室向市场过度的过程。在这短短的一年中，全国超过10个省市和地区都建设了加氢站，并逐步走向商业化运营。

3 燃料电池的技术展望与发展前景

燃料电池拥有很多优势，十分具有发展前景。在多种技术制约因素当中，以液体为燃料的燃料电池的核心是高性价比的催化剂。以氢燃料电池为例，其所面临的最关键问题就是氢气的制备和储存。对于后者而言，存在的是天然的缺陷，我们不仅在现阶段无法解决这个问题，即使进行了深入地研究，目前能做到的也只是把这个问题复杂化，谈不上有任何进展。但诸如甲醇、乙酸等燃料，情况就很不一样了，它们能够直接地从煤、农作物里面获得，且极其方便。而且乙酸液体无毒，在使用过程也没有很多的危险，而且蕴含能量巨大并且体积小，具有很大的优势。但是，乙酸的应用所面临的最关键问题就是寻找到高效廉价并且稳定的催化剂。当前我们使用的Pt基或Pd基合金催化剂，原料十分罕见因而价格高昂，更让人痛心的是在稳定性和使用寿命方面，它们都处于劣势。有关催化剂的理论复杂但也不完善，无法以理论来指导催化剂的合成制备工艺，只能更多地依赖于实验，希望能够发现一种蛋白酶实现这一目的[1]。

放眼全球，在受到了长时间稳定的支持后，燃料电池汽车产品在很多方面都获得了重大进步，示范性运行不断推动，并渐渐产生了能够实现商业化运营的先进燃料电池汽车。燃料电池汽车产业到达了技术和市场示范阶段。

即使现在燃料电池的成本依旧很高，使用率并不高，但是随着今后传统化石能源走向枯竭、人民对于环境的要求不断提高以及有关技术的不断进步等等因素的影响下，燃料电池一定能够在洁净电站、移动电源、潜艇和空间电源等方面获得广阔的发展应用空间，尤其是在小型便携式产品用车用质子交换膜燃料电池方面。

美国能源局根据现有统计数据预测，未来燃料电池的市场规模将保持约10%的增速，到2022年将实现规模翻倍，即240亿美元的总产值。预估此时市场上的商业需求为60亿美元，数量非常可观。随着传统化石能源的消耗，其市场渐渐没落，燃料电池将成为万众瞩目的替代品！

4 结语

随着十九大的召开，能源危机与环境污染问题又被重提，能源消耗的可持续性发展也一直是各界社会的热点话题，新型能源又被提上了日程，与传统的化石能源相比，新能源的概念是指包含太阳能、海洋能等在内的清洁可再生的能源。显而易见，地球的传统化石能源储量是有上限的，而且在其燃烧中会释放大量污染性的烟气，但新能源的使用过程通常是可循环的，环境污染小，取用无尽。

本文以新能源汽车为例探讨燃料电池的研究现状及发展前景，提出了我国的在该领域的主要问题，从研究中我们能够清楚地看见，燃料电池优点诸多，应用也非常广泛。现在，我们已经克服了大部分燃料电池有关的技术性难题，更喜人的是，现在世界各国都越来越重视环境保护和能源的循环利用，而且日渐降低的燃料电池成本更让全球各国关注其发展，燃料电池前景广阔。